2 Le volcanisme - images.hachette

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Le volcanisme
PROGRAMME
Connaissances
• Le volcanisme est l’arrivée en surface de magma
et se manifeste par deux grands types d’éruption.
Les manifestations volcaniques sont des émissions
de lave et de gaz. Les matériaux émis constituent
l’édifice volcanique.
• L’arrivée en surface de certains magmas donne
naissance à des coulées de lave, l’arrivée d’autres
magmas est caractérisée par des explosions projetant des matériaux.
Le magma contenu dans un réservoir magmatique
localisé à plusieurs kilomètres de profondeur est
de la matière minérale en fusion véhiculant des
éléments solides et des gaz.
Les roches volcaniques proviennent du refroidissement du magma.
Le refroidissement par étapes du magma, sa solidification sous forme de cristaux et de verre, donnent
naissance aux roches volcaniques.
La structure de la roche conserve la trace de ses
conditions de refroidissement.
• Les volcans actifs ne sont pas répartis au hasard
à la surface du globe.
Sur les continents, des volcans actifs sont alignés,
principalement autour de l’océan Pacifique et le
long de grandes cassures.
Dans les océans, les zones volcaniques se situent
dans l’axe des dorsales océaniques.
OBJECTIFS GÉNÉRAUX DU CHAPITRE
Ce second chapitre, consacré à l’étude du volcanisme, poursuit l’étude des manifestations de
l’activité interne du globe. Le constat de la répartition des volcans actifs du globe complète celui de la
répartition des séismes et prépare à la construction
du modèle de la tectonique des plaques. Par ailleurs,
et dans un souci d’éducation à la citoyenneté, ce
chapitre se prolonge naturellement par l’étude de
la prévention des risques volcaniques (chapitre 4).
C’est dans cet esprit que les deux grands types
d’éruptions sont ici opposés, leur dangerosité étant
liée à la spécificité de leurs magmas.
On privilégiera, comme pour l’étude des séismes,
une démarche d’investigation. Après avoir observé
les manifestations du volcanisme effusif et celles
du volcanisme explosif, on recherche l’origine des
matériaux émis lors des éruptions. Une fois établie
l’origine profonde des magmas, on s’interroge sur
le devenir de la lave pendant son refroidissement.
La dernière activité du chapitre montre que le
volcanisme n’est pas réparti au hasard, et que les
deux grands types de volcanisme ne se rencontrent pas aux mêmes endroits. L’importance du
volcanisme effusif le long de l’axe des dorsales
peut alors être soulignée.
La durée limitée de cette étude ne permet ni une
étude détaillée de telle éruption historique ou une
typologie des appareils volcaniques, ni d’envisager
de manière approfondie les rapports entre les
volcans et les paysages. L’objectif essentiel de ce
chapitre est de faire comprendre le phénomène
volcanique, la naissance d’un volcan étant liée
à la genèse localisée d’un magma. On s’attache
donc à détruire la représentation mentale, souvent
prégnante, de l’existence d’une couche continue
de magma. Le recueil des conceptions que les
élèves peuvent avoir du fonctionnement d’un volcan, qu’ils pourront confronter ensuite avec les
notions construites au cours des activités, peut
s’avérer utile à cette fin.
L’expérimentation établissant une relation entre la
taille des cristaux et la vitesse de refroidissement
de la lave permet de comprendre le mode de formation des roches volcaniques, et ainsi d’identifier
leurs principales caractéristiques. Le principe
de l’actualisme ayant été défini en classe de cinquième, les élèves doivent alors être capables
d’interpréter les indices d’un volcanisme ancien à
partir de roches trouvées dans une région. La place
de la modélisation analogique et ses limites dans
une démarche scientifique rigoureuse, constituent
ici des objectifs méthodologiques.
OUVERTURE DE CHAPITRE
La photographie d’une éruption de l’Etna (Sicile)
montre à la fois des coulées et des projections de
lave, ainsi que l’existence d’un édifice volcanique.
On peut signaler la fréquence des éruptions de ce
volcan et consulter à ce sujet le site http://rivierec.club.fr/nouvellepage1.htm. Le spectacle des
éruptions les plus récentes, assez peu explosives,
en a parfois fait une attraction touristique. Mais on
peut évoquer aussi les destructions causées par
certaines éruptions historiques, comme celle de
1669, qui, très explosive, détruisit une grande partie
de la ville de Catane.
Chapitre 2 • Le volcanisme
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Donne tes idées sur…
Les documents proposés sont des supports pour
faire surgir les conceptions initiales des élèves
sur les volcans. L’éruption de l’Etna montre l’image
familière d’un volcan en activité. Le document sur le
puy de Dôme et le puy de Pariou permet d’interroger
les élèves sur la nature de l’appareil volcanique.
L’application du principe de l’actualisme peut leur
faire rapprocher ce document du précédent.
La première question mobilise les représentations
des élèves sur l’origine de la lave. Beaucoup imaginent un modèle de réservoir planétaire de magma
sous l’écorce terrestre. Quelques-uns attribuent au
magma une origine locale, voisine de celle proposée
par Buffon (voir exercice 4), d’autres la situent au cen-
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Les volcans
tre de la Terre. Par ailleurs, avec les réponses à cette
première question, on peut aussi se rendre compte
que l’édifice volcanique lui-même n’est pas nécessairement interprété comme une conséquence du
volcanisme : certains élèves pensent que le volcan est
une montagne qui préexiste à l’activité volcanique.
La seconde question permet de se rendre compte
que, si la majorité des élèves pensent aux formes
des édifices volcaniques, peu font appel aux caractéristiques des roches qui le constituent.
Quelques-unes des représentations proposées par
des élèves sont présentées ci-dessous (ces dessins
ont été recueillis auprès d’élèves de 4e n’ayant pas
encore étudié le volcanisme).
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Les conceptions des élèves peuvent être soumises
à la classe afin de rechercher en commun les
investigations à mener pour valider ou non les
idées qu’ils s’étaient faites du volcanisme. Par
exemple, si pour tous les élèves un volcan est
caractérisé par un édifice rejetant de la lave, l’origine de cette lave et la nature de l’édifice diffèrent
beaucoup. Ces deux derniers points serviront donc
à poser les nouveaux problèmes à étudier.
Observer et s’interroger
Le document 1 compare l’île de Surtsey à sa naissance, en 1963, à son aspect actuel. Le cratère initial peut être localisé en haut de la vue aérienne de
l’île actuelle, ce qui met en évidence son extension.
Le problème de l’origine des matériaux ayant édifié
cette île peut alors être posé. En fait, l’éruption
avait commencé bien avant que l’île ne devienne
visible, engendrant des panaches de cendres et de
vapeur d’eau. Au mois de janvier 1964, l’édifice volcanique restait immergé et atteignait une hauteur
de 480 mètres au-dessus du plancher de l’océan.
Au mois de novembre 1966, l’éruption cessait après
l’émission de 270 millions de m3 de lave.
Le document 2 présente les conséquences d’une
nuée ardente lors de l’éruption du volcan Mérapi en
2006 (le déroulement de cette éruption est étudié
au cours de l’activité 1). L’observation de l’accumulation des cendres, dont l’épaisseur atteint les toits
Le document sur l’île de Surtsey (page 33) et
l’activité 2 permettent de remettre en cause les
conceptions erronées sur l’origine de la lave et
de l’édifice volcanique. Les réponses à la seconde
question pourront initier l’activité 3 et la modélisation expérimentale de la formation des roches
volcaniques.
Différentes manifestations
du volcanisme
des maisons, et des destructions causées dans
une région éloignée du volcan qui est visible en
arrière plan, pose le problème de manifestations
volcaniques d’un type différent de celles qui ont
été observées jusque-là. On peut déjà envisager
l’existence des deux types de volcanisme, et motiver ainsi la première activité.
Problèmes scientifiques à résoudre
– Quelles sont les manifestations des éruptions
volcaniques ?
– D’où proviennent les matériaux émis par un
volcan ?
– Comment la lave devient-elle une roche volcanique ?
– Comment le volcanisme est-il réparti sur le
globe ?
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Activité 1
L’activité volcanique
Quelles sont les manifestations
des éruptions volcaniques ?
OBJECTIFS À ATTEINDRE
L’objectif de cette activité est d’identifier les principales manifestations du volcanisme. La comparaison des
éruptions du piton de la Fournaise et du Mérapi, toutes deux la même année, permet de définir à la fois :
– les caractères communs aux deux types d’éruption (émission momentanée de lave et de gaz) ;
– les différences entre le volcanisme effusif (coulées de laves fluides et projections limitées) et le volcanisme
explosif (dôme de lave visqueuse et nuées ardentes).
La comparaison des deux types d’éruption se prête à un exercice de communication scientifique : la présentation des données sous la forme d’un tableau (saisie des données pertinentes, choix des lignes et des colonnes).
Elle permet aussi une première approche du risque volcanique, étudié au chapitre 4. Le traitement différent de
l’alerte volcanique pour les deux éruptions peut être souligné, afin de montrer l’intérêt d’adopter une attitude
responsable face aux risques liés à l’environnement.
Exploitation
Les documents proposés dans cette activité permettent de découvrir les caractéristiques de deux
volcans différents : un volcan de type effusif, le
piton de la Fournaise (document 3), et un volcan
de type explosif, le Mérapi (document 4).
Le document 3 montre de longues coulées de lave
(document 3a), leur émission le long d’une fissure
(document 3b) et des projections sur une vingtaine
de mètres de haut (document 3c). L’exploitation
de ces trois documents révèle les principales
caractéristiques du volcanisme effusif : fluidité de
la lave, émission de gaz, jaillissement de fontaines
de lave. On observe également le passage de la
lave à la roche volcanique, très rapide dans le cas
des projections de scories.
Remarque : L’actualité des éruptions du piton de la
Fournaise peut être consultée sur le site http://www.
fournaise.info/.
L’éruption du Mérapi (document 4) permet d’étudier un volcanisme explosif sans évoquer de catastrophe planétaire, telles les explosions du mont
Saint-Helens (1980), du mont Pinatubo (1991) ou de
la Soufrière de Montserrat (1997), dont l’ampleur
même pourrait occulter les autres manifestations
de ce volcanisme.
Le document 4 présente la montée d’un dôme de
lave (document 4a) nécessairement visqueuse, et
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une nuée ardente (document 4b) provoquée par
la destruction partielle du dôme sous la poussée
des gaz. La chronologie de l’éruption jusqu’au
retour des populations vivant à proximité du volcan
(document 4c) permet de dégager les principales
caractéristiques du volcanisme explosif : viscosité
de la lave, importance des gaz, dangerosité pour
la population et les constructions. Dans le cas de
l’éruption de 2006, la fréquence des nuées ardentes a pu éviter une catastrophe, dans la mesure
où le dôme de lave a été périodiquement détruit
au fur et à mesure qu’il grandissait. En absence
de celles-ci, on pouvait craindre une explosion de
grande ampleur, comme en 1930 (1 369 morts) ou
en 1994 (plus de 60 morts). On peut aussi évoquer
les éruptions d’autres volcans indonésiens, comme
celle du Tambora, qui fit 60 000 morts en 1815, ou
l’explosion du Krakatoa le 27 août 1883, dont les
conséquences sur le climat furent planétaires.
Remarque : On peut suivre la chronologie et les
images de l’éruption de 2006 du Mérapi sur le site
http://geolepwww.epfl.ch/coursgeologie/merapi/
merapi.html.
Réponses aux questions
1. Les documents 3 et 4 permettent de préciser
que les volcans rejettent de la lave, sous forme de
coulées ou de projections, et des gaz. En refroidissant, la lave forme des roches volcaniques.
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2. Tableau comparatif des caractéristiques de deux volcans différents (documents 3 et 4) :
Éruptions de 2006
Piton de la Fournaise
Mérapi
Aspect de la lave
Très fluide
Très visqueuse
Vitesse de la lave
2 à 3 mètres par seconde, soit
moins de 10 kilomètres par heure
Vitesse des coulées pyroclastiques :
100 à 300 kilomètres par heure
Importance des projections
Fontaines de lave et projections de
scories sur une hauteur de 20 à 30
mètres
Cendres projetées à 3 kilomètres
Nuées ardentes sur 7 kilomètres
(doc. 2 p. 33)
Importance des gaz
Faible pression
Forte pression
Activité 2
La structure et le fonctionnement
d’un volcan
D’où proviennent les matériaux émis par un volcan ?
OBJECTIFS À ATTEINDRE
Après avoir identifié les matériaux émis au cours d’une éruption, le problème de leur origine doit être posé.
Cette activité permet d’atteindre plusieurs objectifs cognitifs concernant le phénomène volcanique :
– l’édifice volcanique est construit par les matériaux émis au cours des éruptions successives ;
– le magma provient d’un réservoir localisé sous l’édifice volcanique lui-même ;
– l’ascension du magma est due à la pression exercée par les gaz sur la matière minérale en fusion ;
– la genèse du magma résulte de la fusion des roches à très grande profondeur.
L’approche historique proposée permet de détruire la conception, encore fréquente chez de nombreux élèves,
d’un volcanisme relié à l’existence d’une couche continue de magma, afin de mieux construire avec eux un modèle
explicatif à l’aide des données scientifiques actuelles. Cette approche développe la curiosité des élèves pour
les causes des phénomènes naturels, tout en exerçant leur esprit critique face à une représentation contredite
par les connaissances scientifiques actuelles. La saisie de données pertinentes, la réalisation d’un schéma, la
formulation des notions construites dans un langage scientifiquement et grammaticalement correct, constituent
des objectifs méthodologiques de cette activité.
Exploitation
Afin de faire découvrir la nature d’un édifice volcanique et son origine, c’est l’exemple du puy de
Lemptégy, en Auvergne, qui a été retenu. L’exploitation de ce volcan pour extraire notamment la
pouzzolane (utilisée comme matériau de construction) permet de découvrir la constitution de l’édifice
volcanique. Le document 5 permet de voir une cheminée constituée d’une roche dure et compacte,
entourée de scories rejetées lors de plusieurs
éruptions. L’histoire complexe de ce volcan n’est
pas envisagée au cours de cette activité.
Remarque : Pour plus de renseignements sur ce
volcan, qu’il est possible de visiter avec des élèves,
on peut consulter le site du puy de Lemptégy (http://
www.auvergne-volcan.com) et celui de l’académie
de Clermont (http://www3.ac-clermont.fr/etabliss/
tremonteix/lemptegy/historie.htm).
Afin de faire évoluer les représentations des élèves sur l’origine de la lave et des gaz émis par un
volcan, l’approche historique a été retenue. Ainsi,
le document 6 présente une illustration anonyme
pour « L’écorce terrestre » d’Emile Whit. Elle présente la conception dominante du volcanisme au
XIXe siècle, comme l’explique Alexandre Bertrand
en 1845 : « Les volcans sont des soupiraux par le
moyen desquels quelques parties des matières en
fusion qui forment la masse interne s’échappent
avec violence pour venir se répandre à la surface du
globe […] Toutes les autres hypothèses, rapportant
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les éruptions à des causes purement locales, ne
peuvent rendre raison de la singulière ressemblance
qui existe entre les produits volcaniques rejetés aux
extrémités les plus éloignées du globe. »
Pour évoquer les conceptions antérieures, fondées
au contraire sur une origine localisée à l’intérieur
de l’édifice volcanique lui-même, on peut se référer
au texte de Buffon de l’exercice 4 page 46. Une
conception plus ancienne, non scientifique, celle de
Kircher en 1665, supposait un foyer central relié aux
volcans de surface par des conduits de feu avec des
réserves intermédiaires. Différentes représentations
historiques de la structure interne du globe, peuvent
être consultées sur le site http://web.upmf-grenoble.
fr/SH/PersoHist/deparis/Histoirevision.htm.
Le document 7, quant à lui, permet de réfuter
ces conceptions anciennes. Pour le piton de la
Fournaise, on peut remarquer plusieurs chambres
magmatiques, relativement proches de la surface,
qu’il faut distinguer des régions profondes où a
lieu la fusion partielle. Il s’agit ici d’un volcanisme
de point chaud. On doit conclure à la genèse très
localisée de magmas en profondeur, ce qui réfute
l’idée d’une couche continue de roches en fusion.
Le magma migre et s’accumule progressivement
dans une ou plusieurs chambres magmatiques
avant d’arriver en surface lors d’une éruption.
Les études sismiques qui sont à l’origine de cette
représentation ne peuvent être appréhendées en
classe de 4e.
2. Actuellement, on sait que la lave et les gaz
rejetés lors des éruptions volcaniques ne proviennent pas d’une couche interne continue de
roches en fusion, mais de chambres magmatiques
délimitées.
3. Les informations apportées par le texte du
document 8 complètent celles du schéma du
document 7. On peut attendre des élèves qu’ils
reconstituent l’histoire suivante :
Fusion des roches en profondeur → Migration du
magma vers les chambres magmatiques → Dégazage lié à une diminution de la pression → Ascension
du magma vers la surface au cours d’une éruption
volcanique.
Remarque : Il faut faire saisir que le dégazage du
magma est à l’origine de son ascension.
4. On peut proposer, par exemple : « Un volcan
est composé d’un édifice volcanique formé par les
matériaux rejetés au cours des éruptions successives, et d’une ou de plusieurs chambres magmatiques, dans lesquelles s’accumule le magma né en
profondeur. Celui-ci est formé de matière minérale
en fusion et de gaz qui entraînent son ascension
vers la surface en provoquant une éruption. »
Réponses aux questions
1. L’édifice volcanique du puy de Lemptégy est
formé de roches volcaniques : scories et roches
plus dures au niveau des cheminées volcaniques.
Il est donc formé de roches issues du refroidissement des produits émis par le volcan.
Les renseignements fournis par le document 5
permettent d’établir le schéma suivant :
QSPKFDUJPOEFTDPSJFTFUEFCPNCFT
BDDVNVMBUJPO
EFTDPSJFTFUEF
DPVMÏFTEFMBWFT
DIFNJOÏF
EVWPMDBO
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Activité 3
La formation des roches volcaniques
Comment la lave devient-elle une roche volcanique ?
OBJECTIFS À ATTEINDRE
À l’issue de cette activité, les élèves doivent :
– savoir reconnaître l’origine volcanique d’une roche à partir de l’observation de sa structure ;
– établir une relation entre les tailles différentes des cristaux d’une roche volcanique et les conditions de son
refroidissement.
Les objectifs méthodologiques sont ici essentiels :
– observer des lames minces de roches au microscope et réaliser un dessin d’observation ;
– formuler une hypothèse quant aux conditions de formation des roches volcaniques ;
– participer à la réalisation d’un modèle analogique, et éventuellement à sa conception ;
– critiquer la validité du modèle en le comparant au réel.
Exploitation
Les documents 9 et 10 permettent la comparaison
de la structure de deux roches volcaniques d’origine
différentes : le basalte, lié à un volcanisme effusif,
et l’andésite, liée à un volcanisme explosif. On ne
manquera pas de faire travailler en classe les élèves sur des échantillons de basalte et d’andésite,
les documents fournis dans le manuel permettant par exemple de compléter les observations
réalisées.
Le choix a été fait pour le document 9a de montrer
la transformation d’une coulée de lave en une
roche noire, le basalte, de façon à pouvoir interroger les élèves sur les origines de cette roche et
sur le type de volcanisme auquel elle est liée. Les
différents aspects de la surface d’une coulée ne
sont pas ici des objectifs.
Le document 10a montre l’aspect macroscopique d’une andésite, de couleur plus claire que le
basalte, et surtout dont les vacuoles peuvent être
mises en relation avec la viscosité de la lave qui
lui a donné naissance.
Conformément au programme, le questionnement
ne porte pas sur les différences entre les deux
roches, mais uniquement sur leurs caractères
communs, tels qu’ils peuvent être dégagés sur
les documents 9b et 10b. Dans les deux cas, on
observe des phénocristaux, des microlites et un
verre volcanique. Les noms des cristaux peuvent
être utiles pour expliquer le phénomène de cristallisation, mais, dans la mesure où la reconnaissance
de telle ou telle roche volcanique est exclue, ils
ne peuvent constituer une connaissance exigible
des élèves.
Remarque : La partie désignée comme étant du
verre volcanique, donc non cristallisée, est en fait la
mésostase, dont une partie importante peut être très
finement cristallisée. La distinction entre la partie
réellement vitreuse et la partie microcristalline
ne pouvant être faite avec un microscope usuel, la
mésostase est assimilée ici à un verre.
Dans les activités précédentes, les élèves ont
appris que les roches volcaniques provenaient
du refroidissement d’une lave plus ou moins visqueuse. Afin de comprendre l’origine des cristaux de différentes tailles observés sur les lames
minces de basalte et d’andésite, on peut recourir
à l’utilisation d’un modèle analogique. Plusieurs
modèles analogiques peuvent être proposés,
comme celui du refroidissement de la vanilline
fondue, à réaliser sous hotte aspirante.
Le document 11 propose un modèle expérimental
qui permet d’obtenir des cristaux de sulfate de
cuivre. Ce modèle présente les avantages de montrer de beaux cristaux aisément observables à la
loupe, et d’être fréquemment utilisé en sciences
physiques dans le but de montrer la présence d’eau
cachée à l’intérieur d’un minéral. En effet, on utilise du sulfate de cuivre pentahydrate, de couleur
bleu vif, qui devient blanc ou bleu très pâle lorsqu’il
est déshydraté par chauffage. Cette propriété fait
qu’on doit en pratique partir d’une solution saturée
de sulfate de cuivre pentahydrate : en chauffant
le produit pur, on le déshydrate et son point de
fusion est alors trop élevé pour espérer l’obtenir
en classe. Quelques gouttes d’eau ajoutées au sulfate de cuivre déshydraté suffisent pour abaisser
son point de fusion. Pour les élèves, on peut ne
pas signaler la présence d’eau. Dans la pratique,
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on prépare à l’avance 165 g de (CuSO4, 5H2O) en
poudre dans 200 mL d’eau distillée, que l’on porte
à ébullition en classe. On verse le liquide bouillant
dans les tubes des élèves, en prenant garde de
ne pas provoquer d’éclaboussures. L’observation
des cristaux peut se faire à la fin d’une séance de
travaux pratiques.
On constate qu’il y a un lien entre la taille des cristaux et la vitesse de refroidissement de la solution
saturée de sulfate de cuivre (la température étant la
même initialement quand on remplit les tubes).
Comme pour tout modèle analogique, il est nécessaire de discuter avec les élèves des limites de
validité du modèle (voir la fiche méthode n° 6
page 255). Par exemple ici, le sulfate de cuivre
fondu ne peut pas vraiment être assimilé au
magma, ni même à de la lave, qui est composée de
plusieurs espèces minérales et non d’une seule.
Les résultats et conclusions obtenues à partir du
modèle analogique servent à élaborer des hypothèses explicatives pour ce qui se passe en réalité
lors de la formation des roches volcaniques.
Afin de permettre aux élèves d’énoncer plus précisément leurs hypothèses explicatives sur la structure du basalte et de l’andésite, le document 12
précise, de façon bien évidemment approximative,
les températures au sein d’un volcan ; ces valeurs
sont déduites de l’ordre de cristallisation de Bowen
(voir le site http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/
bourque/s2/orig.mineraux.html).
36
Réponses aux questions
1. Dans les deux cas, on observe des cristaux
d’assez grande taille, des microlites et un verre
volcanique. Seule l’andésite possède des cavités. Le
basalte est plus riche en cristaux de grande taille.
2. La vitesse de refroidissement est plus élevée
dans le tube A que dans le tube B et dans le tube B
que dans le tube C. On constate que les cristaux
sont de beaucoup plus grande taille dans le tube C,
que dans le tube B, et que c’est dans le tube A que
les cristaux sont les plus petits. On peut donc en
conclure que la taille des cristaux de sulfate de
cuivre est liée à la vitesse de refroidissement du
sulfate de cuivre fondu : plus le refroidissement
est lent et plus les cristaux sont gros.
3. Si une localisation précise est hasardeuse, on
peut attendre des élèves qu’ils situent la formation des phénocristaux au niveau de la chambre
magmatique, où ils se forment lentement entre
deux éruptions, et celle du verre à la surface de la
coulée, par un refroidissement très brutal.
Localiser la formation des microlites est plus délicat. Ils peuvent se former lors de l’ascension de la
lave au sein de la cheminée volcanique, mais les
laves basaltiques étant fluides, elles restent peu
de temps dans la cheminée et peu de microlites
peuvent se former (document 9a). Des microlites
se forment encore au sein de la coulée qui refroidit. Au contraire, de nombreux microlites ont le
temps de se former au sein d’une lave visqueuse
(document 10b), laquelle progresse lentement à
l’intérieur du volcan.
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Activité 4
Les régions volcaniques du globe
Comment le volcanisme est-il réparti sur le globe ?
OBJECTIFS À ATTEINDRE
Cette activité vise deux objectifs cognitifs :
– la localisation du volcanisme explosif essentiellement autour de l’océan Pacifique, et du volcanisme effusif
soit au niveau des continents soit isolé au niveau d’un océan ;
– l’existence d’un important volcanisme effusif sous-marin au niveau des dorsales océaniques.
Ces deux objectifs doivent être atteints pour qu’il soit possible de construire ensuite avec les élèves un modèle
cohérent de tectonique globale.
Les compétences acquises précédemment sont ici réinvesties et constituent les objectifs méthodologiques
à privilégier au cours de l’activité :
– saisir des données pertinentes pour résoudre un problème ;
– mobiliser ses connaissances et argumenter à partir des faits observés.
Exploitation
Afin de faciliter par la suite la comparaison de la
répartition des séismes et celle du volcanisme
aérien, le même support cartographique est utilisé
pour localiser quelques-uns des volcans actifs
du monde (document 13) et les épicentres des
séismes (document 16 page 23).
Les documents fournis permettent de constater
que le volcanisme explosif, représenté par une
nuée ardente du Mérapi, est localisé autour de
l’océan Pacifique et au nord de l’océan Indien, plus
exactement à proximité des fosses océaniques.
Cette disposition sera ultérieurement associée
au phénomène de subduction.
Le volcanisme effusif ne présente un alignement
qu’au niveau des rifts africains. Cette répartition pourra être interprétée plus tard comme les
prémices de l’ouverture d’un océan, et on pourra
alors assimiler ce volcanisme au magmatisme des
dorsales. Les autres volcans effusifs paraissent
isolés dans un océan (piton de la Fournaise) ou
sur une dorsale (Krafla). L’existence des points
chauds n’étant pas un objectif de la classe de 4e,
on ne peut que se limiter au constat d’un volcanisme isolé sur les continents, ou sur une île au
milieu d’un océan.
En ce qui concerne le volcanisme du fond des
océans, on ne peut conclure à l’existence d’un
volcanisme effusif actuel à l’axe des dorsales que
si on insiste sur l’absence de sédiments et si on
utilise le raisonnement par analogie pour interpréter
les basaltes en coussins. En effet, personne n’a
encore pu observer une éruption sous-marine au
niveau d’une dorsale ; on doit donc procéder par
analogie avec ce qui se passe lorsqu’une coulée
de lave pénètre dans l’eau de mer. Le document
14a montre la pénétration d’une coulée de lave
basaltique dans l’eau de mer, et le document 14b
son état final. La formation des pillow-lavas peut
nécessiter pour les élèves une explication : la lave
étant brutalement refroidie, une bordure figée de
quelques millimètres se forme instantanément.
La pression exercée par la lave qui progresse à
l’intérieur de la coulée fracture cette bordure figée,
la lave s’épanche par cette fissure et une nouvelle
bordure figée se forme… :
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Chapitre 2 • Le volcanisme
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La place ne permet pas de montrer de nombreux
sites de laves en coussin, à l’axe de toutes les
dorsales océaniques. Dans la mesure où cela est
possible en classe, cette approche permet d’envisager l’importance de la production de magmas
au niveau des dorsales.
Par ailleurs, si on doit mobiliser les connaissances acquises sur les conditions de formation des
roches volcaniques, il faut se garder d’une trop
grande simplification. Les phénocristaux sont formés au sein de la chambre magmatique et peuvent
donc se rencontrer à l’extérieur du pillow comme
dans son cœur, et les microlites se forment au
cours du refroidissement lent du cœur du pillow
et non dans sa bordure figée. Celle-ci ne présente
pas de cristaux visibles. On peut consulter à ce
sujet le site de l’ENS Lyon (http://www.ens-lyon.
fr/Planet-Terre/Infosciences/Terrain/Echantillon/
Articles/bord-pillow.htm).
Réponses aux questions
1. On constate sur la carte du document 13 que
le volcanisme explosif est localisé autour de
l’océan Pacifique et au nord de l’océan Indien, plus
exactement à proximité des fosses océaniques. Le
volcanisme effusif présente un alignement au niveau
des rifts africains ; il apparaît ponctuellement au
niveau des dorsales océaniques, ou encore de façon
isolée dans un océan (piton de la Fournaise).
2. La similitude établie entre les basaltes en coussin observés sur la dorsale de l’océan Pacifique
(document 15a) et les laves en coussins formées
après le refroidissement d’une coulée au large des
îles Hawaï (document 14b), constitue un argument
pour dire que les basaltes en coussins des dorsales
proviennent bien du refroidissement d’un magma
de nature basaltique. D’autre part, la structure de
la roche visible sur la lame mince réalisée au centre d’un coussin de basalte de dorsale (document
15b) montre une structure microlitique permettant
de dire que l’on a ici une roche volcanique.
3. On peut proposer, par exemple : « Les volcans ne sont pas répartis au hasard sur le globe
terrestre. Les volcans explosifs sont localisés à
proximité des fosses océaniques, principalement
autour de l’océan Pacifique. Les volcans effusifs
sont isolés sur les continents, à l’origine d’une île
au milieu de l’océan, ou au niveau des dorsales
océaniques. »
SCIENTIFIQUE AU QUOTIDIEN
Expérimenter
Modéliser une éruption
volcanique
La manipulation proposée peut être réalisée en
classe, mais aussi à la maison, selon que l’expérimentation est demandée aux élèves, ou que des
élèves curieux souhaitent la réaliser spontanément.
Les élèves doivent comprendre ce que représente
chaque élément du modèle, et en particulier le rôle
joué par la levure chimique. Pour cela, on peut les
amener à relire les documents de l’activité 2.
On doit là encore souligner les limites du modèle,
qui ne saurait représenter la totalité d’un volcan :
on ne modélise ni la chambre magmatique, ni la
fusion partielle des roches en profondeur. Le bocal
ne peut pas représenter un édifice volcanique, car
il préexiste à l’éruption et n’est pas formé par la
purée elle-même…
38
En fait, on se contente de montrer comment la libération des gaz (CO2 dégagé par la levure chimique
sous l’effet de la chaleur) provoque l’expulsion de
la purée, et que l’aspect de l’édifice qu’elle forme
dépend de sa viscosité.
Se documenter
Des éruptions historiques
Les documents concernant l’éruption de la montagne Pelée, à la Martinique, peuvent stimuler la
curiosité des élèves. Parmi les éruptions qui ont
marqué l’histoire, beaucoup ont été explosives, ce
qui explique leurs effets catastrophiques. Cependant, des éruptions d’autres types ont pu avoir des
conséquences importantes. C’est le cas de l’éruption du Laki, en 1783 en Islande, qui correspond à
une importante éruption de type effusif ; elle n’a
fait aucune victime humaine, bien que 24,5 millions
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de tonnes de soufre furent émis et contaminèrent
les eaux de surface et les pâturages, causant la
mort de la plupart des animaux domestiques et
sauvages. En Écosse, l’année 1783 fut nommée
l’année des cendres…
De nombreux renseignements de ce type peuvent
être obtenus par les élèves en utilisant un moteur
de recherche, simplement en associant la date de
l’éruption et le nom du volcan.
On peut citer l’explosion du Santorin dans l’Antiquité, à laquelle on attribue parfois la disparition
de la civilisation minoenne, ou l’éruption du Vésuve
qui détruisit Pompéi en 79. Plus près de nous,
les effets planétaires sur le climat des éruptions
du Krakatau (1883), du Saint-Helens (1980) ou
du Pinatubo (1991) doivent être appréhendés.
Les conséquences humaines des éruptions du
Nevado del Ruiz (1985), responsable de la coulée
de boue (lahar) qui détruisit la ville d’Armero à 50
kilomètres de là, ou la catastrophe du lac Nyos,
où le dégagement de CO2 causa la mort de 1 700
personnes, montreront aux élèves l’intérêt d’une
prévention du risque volcanique.
Exercices
J’évalue mes connaissances
1 Différences
a. Une roche volcanique provient du refroidissement d’une lave.
b. La lave est constituée du magma privé des gaz
qu’il contenait.
c. Un verre volcanique correspond à de la matière
non cristallisée, solidifiée instantanément par
un refroidissement brutal ; les microlites sont
de petits cristaux formés au cours du refroidissement moins rapide de la lave.
d. Le volcanisme effusif est caractérisé par des
coulées de laves fluides et des explosions
d’ampleur limitée ; le volcanisme explosif se
caractérise par l’émission de laves visqueuses
qui peuvent former des dômes et des nuées
ardentes, et par la richesse en gaz du magma
qui est à son origine.
2 Choisir la bonne réponse
Lorsque le magma est très visqueux…
a. Faux : lorsque le magma est très visqueux, il
se produit généralement de nombreuses nuées
ardentes.
b. Vrai.
c. Faux : lorsque le magma est très visqueux, la
lave refroidit rapidement, formant souvent un
dôme.
d. Faux : lorsque le magma est très visqueux,
le magma est particulièrement abondant en
gaz.
Le volcanisme de type effusif…
a. Faux : le volcanisme de type effusif se rencontre isolé sur les continents et au milieu des
océans au niveau des dorsales ou isolé ; c’est
le volcanisme explosif qui se rencontre autour
de l’océan Pacifique.
b. Faux : le volcanisme de type effusif se rencontre
aussi isolé sur les continents et au milieu des
océans.
c. Faux : le volcanisme de type effusif se rencontre
sur les continents, mais aussi dans les océans
et à l’axe des dorsales.
d. Vrai.
Un magma prend naissance…
a. Vrai.
b. Faux : un magma prend naissance en profondeur ; les roches émises par un volcan n’ont
pas une origine locale.
c. Faux : la chambre magmatique est un lieu de
stockage du magma, et non de sa genèse.
d. Faux : la migration du magma vers la chambre
magmatique est un phénomène continu ; entre
deux éruptions, le magma né à grande profondeur (de 30 à plus de 100 km) est stocké dans la
chambre magmatique ; l’éruption correspond
à l’ascension du magma de la chambre magmatique vers la surface.
Dans une roche volcanique…
a. Vrai.
b. Faux : dans une roche volcanique, on trouve des
gros cristaux quelle que soit la vitesse de refroidissement de la lave émise car les gros cristaux
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se forment au cours d’un refroidissement lent
du magma dans la chambre magmatique.
c. Faux : dans une roche volcanique, les cavités
remplies d’air sont abondantes dans le cas
d’une lave visqueuse issue d’un magma riche
en gaz (volcanisme explosif).
d. Faux : dans une roche volcanique, on trouve
souvent des grands cristaux visibles à l’œil
nu.
5 Extraire des informations
d’un document
1. La roche A possède des cristaux de tailles différentes enrobés dans un verre non cristallisé.
Sa structure microlitique a conservé la trace
des conditions de refroidissement de la lave
dont elle est issue : les grands cristaux se sont
formés lentement dans la chambre magmatique, et les microlites au cours de l’éruption.
Le verre correspond à la partie de la lave trop
vite refroidie pour que des cristaux puissent se
former. La roche A (basalte) est donc une roche
volcanique.
La roche B possède de nombreux fossiles (foraminifères) ; c’est donc une roche sédimentaire.
3 La chronologie d’une éruption
L’ordre des événements est :
1 : c. Fusion des roches situées à une grande
profondeur sous un édifice volcanique.
2 : b. Accumulation dans une chambre magmatique
du magma formé en profondeur.
3 : a. Montée du magma de la chambre magmatique
vers la surface.
4 : d. Refroidissement d’une coulée de lave.
2.
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J’évalue mes compétences
4 Comprendre un texte historique
et le critiquer
1. Pour Buffon, le volcanisme a une origine locale,
les matériaux émis par le volcan s’enflammant
à l’intérieur de l’édifice volcanique lui-même :
« Les montagnes ardentes qu’on appelle Volcans
renferment dans leur sein les matières qui servent d’aliment à un feu souterrain […] il y a dans
une montagne des matières inflammables qui
s’échauffent toutes les fois qu’elles sont exposées
à l’air ou à l’humidité […] ».
2. Les connaissances actuelles excluent pour le
volcanisme une origine située à l’intérieur de
l’édifice volcanique lui-même, celui-ci étant
constitué des matériaux émis par les éruptions
successives. Au contraire, le magma prend
naissance à une grande profondeur sous l’édifice volcanique, avant de s’accumuler entre les
éruptions dans une ou plusieurs chambres
magmatiques. Une autre différence tient aux
causes qui provoquent la naissance d’un magma,
Buffon imaginant une combustion de matières
inflammables : « il s’en trouve ensemble une
très grande quantité, le feu s’y met et cause une
explosion proportionnée à la quantité des matières
enflammées […] ».
40
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6 Relier plusieurs informations
pour résoudre un problème
1. La fissure s’écarte au fur et à mesure que
l’activité sismique augmente. À partir du document a, on peut voir que le nombre de séismes
quotidien augmente du 12 avril au 24 mai, puis
considérablement à partir du 21 juin.
Remarque : Il s’agit ici de montrer une corrélation entre deux phénomènes et non de démontrer
une relation causale entre eux.
2. L’activité sismique augmente fortement à partir
du 21 juin et demeure importante au mois de
juillet. Elle précède donc l’éruption, qui commence le 20 juillet. Les connaissances acquises
sur le fonctionnement d’un volcan permettent d’émettre l’hypothèse de l’ascension d’un
magma. L’augmentation de pression au niveau
du toit d’une chambre magmatique peut être à
l’origine de séismes locaux.
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3. La largeur de la fissure ayant beaucoup aug-
2. Si les explosions avaient eu lieu après la cou-
menté, le dégazage a pu avoir lieu, ce qui a
entraîné la montée du magma.
Remarque : Le remplissage de la chambre magmatique entraîne une fracturation des roches
sus-jacentes, et donc une chute de pression dans
la chambre magmatique. Cette diminution de la
pression provoque le dégazage du magma, et
donc son ascension vers la surface.
lée, les scories recouvriraient la coulée de
basalte, et les cratères des édifices volcaniques,
essentiellement formés de scories, seraient
circulaires. Le fait que les deux cratères soient
égueulés dans la direction de la coulée montre
que c’est la coulée qui a entraîné avec elle les
parties manquantes des cratères, qui lui étaient
donc antérieurs.
7 S’informer à partir de photographies
1. En absence de cratère ou de coulée volcanique, le seul argument qui permette d’affirmer
que le puy de Dôme est un ancien volcan est
la structure microlitique de la roche qui le
constitue (le document b est une lame mince
de domite, variété claire de trachyte spécifique
de ce volcan).
2. La forme en dôme du volcan laisse penser à la
surrection d’un dôme de lave très visqueuse.
L’abondance des microlites peut confirmer cette
hypothèse.
Remarque : Ce n’est qu’au XVIIIe siècle que
Guettard comprit le premier l’origine des volcans
d’Auvergne, mais celle du puy de Dôme resta une
énigme pour les scientifiques jusqu’à l’éruption de
la montagne Pelée, de 1902 à 1905. Cette éruption
fut un modèle pour comprendre sa formation :
surrection d’un dôme de trachyte il y a 11 000 ans,
sur des cônes de scories provenant d’éruptions
précédentes. La forme dissymétrique de son sommet peut être expliquée par l’écroulement d’une
partie du dôme au cours de son éruption.
J’utilise ce que j’ai appris
8 Les étapes d’une éruption
volcanique en Auvergne
1. Le document a montre des édifices volcaniques
présentant des cratères égueulés. Le document
b présente une longue coulée de lave refroidie
(la cheire d’Aydat). Le document c montre que
les matériaux rejetés par ces volcans sont
des scories et, vers le sommet, une coulée
de basalte. On en conclut que les éruptions
qui sont à l’origine des édifices volcaniques
comportèrent des explosions, à l’origine des
scories, et des coulées de lave fluide, à l’origine
de la cheire d’Aydat.
9 Les modifications de paysage
au mont Saint Helens à la suite
d’une éruption volcanique
1. L’éruption du 18 mai 1980 fut explosive : le
sommet du volcan fut pulvérisé et ses débris
furent projetés, avec les cendres volcaniques,
à une vingtaine de kilomètres d’altitude. La
profonde échancrure – le cratère ainsi formé
est profond de 600 mètres – observable au
sommet du volcan après l’éruption (document b)
témoigne de l’importance de cette explosion.
2. Le paysage dévasté (document a2) après l’éruption du 18 mai 1980 est le résultat d’une nuée
ardente. Celle-ci a détruit la forêt et laissé
sur place des roches de couleur grise issues
de coulées pyroclastiques (les ignimbrites).
L’ancienne vallée de la rivière Columbia fut
recouverte par 150 mètres de cendres et de
boues, et 600 km2 de forêt furent détruits.
3. Depuis l’explosion du 18 mai, lorsqu’un dôme de
lave s’élève au centre du cratère, il est ensuite
détruit par des explosions et la formation de
nuées ardentes. La lave, très visqueuse, monte
lentement et refroidit sur place en formant
un dôme. La viscosité de la lave andésitique
s’opposant à son écoulement, une explosion
se produit lorsque la pression exercée par
les gaz contenus dans le magma devient trop
importante.
Remarque : Le volcanisme du mont Saint Helens
est caractéristique du volcanisme associé à la
subduction. On peut suivre son évolution au cours
du temps sur le site http://vulcan.wr.usgs.gov/
Volcanoes/MSH.
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